地基微波輻射計低空大氣逆溫探測能力分析

曹 梅，王 斌，任丹陽，楊亞利，白水成

(1.西安市氣象局，西安 710016；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態環境氣象重點實驗室，西安 710016；3.陜西省氣象局，西安 710014；4.銅川市氣象局，銅川 727000)

近地層大氣逆溫的變化，對大氣污染有著直接的影響，它對人體健康、生態變化、大氣質量、大氣要素有著很大的作用[1]。逆溫是影響大氣污染物擴散、傳輸的重要因素，污染物的散布形式和運行擴散規律取決于污染區域內氣象條件的水平和垂直分布規律，逆溫的分布規律對大氣污染物的擴散有著直接的作用[2]。國內外已有大量關于邊界層逆溫的相關研究[3-10]。國內對邊界層逆溫的研究大多是基于高空氣象觀測站07時和19時綜合探空資料，研究表明傳統探空觀測計算逆溫參量準確可靠,在氣象預報、預警中廣泛應用，但常規的探空觀測資料每日僅有兩次，存在時間分辨率不高的問題，無法準確判斷逆溫層動態變化。近幾年地基微波輻射計探測技術嶄露頭角，并逐漸趨于成熟，地基微波輻射計具有高精度、連續性等優點。國內外學者對地基微波輻射計資料評估開展了大量研究[11-15]，但基于微波輻射計資料研究逆溫僅有少量文獻[16-18]。李力等[18]利用微波輻射計數據分析南京逆溫層結構與霧霾天氣的關系。有研究表明地基微波輻射計在逆溫條件下的精度明顯減弱[11]，也有文獻指出地基微波輻射計對逆溫探測能力不足[12]。本文利用L波段探空雷達溫度數據檢驗MWP967KV型地基微波輻射計反演溫度廓線的準確性，并進一步計算兩類資料的逆溫參量，進而比較兩種觀測方式對于逆溫觀測的差異，以便評估地基微波輻射計對逆溫的探測能力。

1 資料和方法

1.1 資料

資料分別選取西安市涇河國家高空氣象觀測站(以下簡稱涇河站)2019年6月—2021年5月MWP967KV型地基微波輻射計和探空觀測溫度數據。地基微波輻射計的采樣頻率為每2 min一次，垂直分辨率如下：0～500 m之間為50 m、500 m～2 km之間為100 m、2 km～10 km之間為250 m。

1.2 樣本分類質控

對研究中所用地基微波輻射計長序列資料進行嚴格的缺測率和一致性檢查，如有缺測時間過長或數據明顯不連續的樣本，直接剔除。探空數據因當班發報前進行質控，不再重復進行。2019年6月—2021年5月共獲得有效數據1 385組(1組有效數據包括1次探空數據和對應時次的微波輻射計數據),其中春季360組，夏季316組，秋季364組，冬季345組。為了減小地基微波輻射計和探空資料在觀測時間上的差異，本文在資料選取過程中考慮探空資料空間和時間尺度的變化，選取與探空資料某一高度層最為接近的微波輻射計觀測數據，根據探空氣球觀測時間和高度的變化選取與之對應的微波輻射計探測值[17]。

1.3 計算方法

從地基微波輻射計與探空觀測溫度資料中讀取、計算逆溫參量變化特征，其中包括逆溫層底高、頂高和溫差，進而對逆溫厚度、溫差、強度進行統計整理。逆溫層厚度ΔH=H2-H1，其中H1為逆溫層底高，H2為逆溫層的頂高，單位為m；逆溫層溫差為ΔT=T2-T1，其中T1為逆溫層底部的溫度，T2為逆溫層頂部的溫度，單位為℃；逆溫強度I定義為逆溫層內每升高100 m溫度的逆增值(單位℃/100 m)，

(1)

2 微波輻射計與常規探空數據溫度廓線對比分析

圖1是不同季節(春季3—5月、夏季6—8月、秋季9—11月、冬季12—2月)地基微波輻射計與探空觀測溫度的絕對平均偏差和均方差。從圖中可以看出，不同季節兩類資料溫度的絕對平均偏差和均方差隨高度變化趨勢基本一致，均隨著高度的增加呈遞增趨勢。絕對平均偏差在1.5 km以下均小于1.00 ℃；在2.5 km以下，絕對平均偏差冬季最大，春季、秋季次之，夏季最小，除冬季外，其它季節均小于1.00 ℃；在6 km處，絕對平均偏差都在1.00 ℃以上，最大是冬季，達到1.32 ℃；到10 km處，絕對平均偏差進一步增大，夏季最小為1.39 ℃，春季最大為1.75 ℃。均方差在1.8 km以下均小于1.50 ℃；在2.5 km處，均方差冬季最大為1.64 ℃，春季、秋季次之，夏季最小為1.03 ℃；在6 km處，均方差都在1.40 ℃以上，最大是冬季，達到1.87 ℃；到10 km處，均方差逐漸增大，夏季最小為1.99 ℃，春季最大為2.47 ℃。從以上的分析可以看出，在四個季節中，地基微波輻射計在高溫時的反演精度明顯好于低溫時；夏季精度最高，冬季精度最低。地基微波輻射計溫度廓線在2 km以下更接近于實際值，隨著高度的增加，反演結果逐漸變差。

圖1 西安涇河站2019年6月—2021年5月微波輻射計與探空觀測溫度絕對平均偏差和均方差

進一步對2 km以下微波輻射計反演溫度廓線與探空觀測溫度加以分析，得出兩類資料的相關系數為0.99，絕對平均偏差0.73 ℃，均方差1.04 ℃，相關性較高，絕對平均偏差和均方差較小，說明在2 km以下，微波輻射計反演溫度廓線與探空觀測溫度離散程度較小，可靠性高。

3 微波輻射計與探空數據逆溫參量分析

考慮到兩種觀測資料的可比性，本文僅研究貼地逆溫和底部高度在2 km以下的脫地逆溫，利用兩類資料的溫度數據進一步計算逆溫參量進行對比分析，得出地基微波輻射計與探空數據逆溫差異，從而分析地基微波輻射計逆溫數據的準確性。

3.1 逆溫頻率

表1列出07時和19時地基微波輻射計與探空觀測的逆溫出現頻率月分布情況。如某次觀測出現貼地逆溫或低于2 km的脫地逆溫，均記為一次逆溫。由表1可知，07時微波輻射計逆溫出現頻率在1—5月、11—12月均高于探空觀測；從全年平均逆溫出現頻率來看，微波輻射計全年平均逆溫頻率為63.4%，探空觀測全年平均逆溫頻率為64.4%，兩者逆溫頻率基本相同。19時除6月和8月外，其余月份微波輻射計觀測逆溫出現頻率均高于探空觀測。從微波輻射計在07時和19時逆溫出現頻率來看，07時逆溫次數多于19時，這與探空觀測的規律是一致的。說明微波輻射計對于逆溫的捕獲能力與探空觀測相似。

表1 西安涇河站2019年6月—2021年5月微波輻射計與探空資料逆溫頻率對比 %

圖2為地基微波輻射計與探空觀測逆溫出現頻率隨高度的變化趨勢。從圖2中可以看出，微波輻射計低層出現逆溫頻率較高，隨著高度的增加，逆溫出現頻率迅速下降，在275 m以上逆溫出現頻率已不足10%，且微波輻射計觀測的逆溫以貼地逆溫為主。到高空500 m以上，觀測逆溫出現的頻率非常少，甚至不足1%，說明微波輻射計對于低空的逆溫觀測能力較強，而對于高空500 m以上的逆溫幾乎無法監測到。探空觀測逆溫出現頻率與微波輻射計趨勢類似，在低空逆溫出現頻率較高，隨著高度的增加，在550 m以上逆溫出現頻率逐漸減少到不足10%，但在550 m以上，3 km以下，探空觀測逆溫出現頻率一直存在，在2.6 km以上甚至還有增加的趨勢。

圖2 西安涇河站2019年6月—2021年5月微波輻射計與探空觀測逆溫頻率垂直變化

在200 m以下，微波輻射計觀測逆溫出現頻率遠高于探空觀測，說明微波輻射計對于貼地逆溫的探測能力要高于探空觀測。分析其原因，探空觀測中電子探空儀在低空的升速一般為6～7 m/s，大概30 s左右就可升到200 m高度，電子探空儀的溫度傳感器直接接觸空氣獲取數據，在升空過程中實時返回電子探測信號，低空溫度遞減率較大，其溫度傳感器的感應需要時間，因此會造成溫度傳感器感應不充分的現象，如某一秒鐘電子探空儀未充分感應外界溫度就迅速升空，這應該是造成200 m以下低空微波輻射計觀測逆溫頻率遠高于探空觀測逆溫頻率的主要原因。而對于高空500 m以上微波輻射計觀測逆溫與探空觀測逆溫的差異，主要是因為探空觀測是秒級觀測數據，分辨率大概為6～7 m；而微波輻射計在低空500 m以下的分辨率為50 m，500 m以上的分辨率降低，如出現較薄的逆溫層，微波輻射計很難探測到，因此造成微波輻射計在500 m以上觀測的逆溫次數較少。

3.2 逆溫強度

表2為地基微波輻射計與探空觀測各月的逆溫強度對比，將07時和19時分別統計，如某一時次出現了兩層及兩層以上的逆溫時，只統計高度最低的一層逆溫強度。從表2中可知，地基微波輻射計觀測的逆溫強度整體小于探空觀測逆溫強度，07時小2～9倍；19時微波輻射計觀測逆溫強度遠小于探空逆溫強度，6月兩者差距最大，達到33倍。

表2 西安涇河站2019年6月—2021年5月微波輻射計與探空觀測逆溫強度對比 單位：℃/100 m

圖3為微波輻射計與探空觀測在07時和19時逆溫強度對比， 從圖3a可以看出， 微波輻射計觀測逆溫強度07時和19時較為接近，3—8月07時逆溫強度大于19時，其余月份19時逆溫強度大于07時。從圖3b的探空觀測中，19時逆溫強度遠大于07時逆溫強度。

圖3 西安涇河站2019年6月—2021年5月微波輻射計(a)與探空觀測(b)07時和19時逆溫強度對比

3.3 逆溫厚度

表3為微波輻射計與探空觀測逆溫厚度對比，如果某一時次出現了兩層及兩層以上的逆溫時，逆溫厚度也僅統計高度最低的一層逆溫厚度。從表3中可以看出，07時的微波輻射計逆溫厚度小于探空觀測逆溫厚度，在19時觀測中，3—9月的微波輻射計逆溫厚度小于探空觀測逆溫厚度，1—2月、10—12月微波輻射計逆溫厚度反而大于探空觀測逆溫厚度。從全年平均逆溫厚度來看，07時和19時微波輻射計平均逆溫厚度分別為200.8 m、90.5 m，探空觀測平均逆溫厚度分別為320.5 m、111.3 m，微波輻射計逆溫厚度整體略小于探空觀測逆溫厚度。

表3 西安涇河站2019年6月—2021年5月微波輻射計與探空觀測逆溫厚度對比 單位：m

3.4 微波輻射計探測逆溫的連續性變化

傳統的探空觀測因時間分辨率太小無法得出逆溫層的日變化，應用地基微波輻射計的連續觀測資料，可得出全天逐小時的平均逆溫情況，從而準確分析逆溫層的日變化。如圖4所示，利用2019年6月—2021年5月地基微波輻射計逐小時資料進行統計分析，得出不同季節逆溫頻率、逆溫厚度和逆溫強度日變化曲線。從圖4a的逆溫頻率日變化可以看出，冬季逆溫出現頻率明顯大于其他三個季節。春季逆溫出現頻率日變化幅度較大，00—08時逆溫出現頻率均大于70%，11—18時逆溫出現頻率不足50%，19時后逆溫出現頻率迅速上升。夏天逆溫出現頻率整體偏低，0—7時逆溫出現頻率較高，其它時次逆溫出現頻率不足10%。秋季23—05時逆溫出現頻率在70%以上，13—17時逆溫出現頻率較低。冬季19—23時逆溫出現頻率最高，10—16時逆溫出現頻率較低。從不同季節的逆溫出現頻率時次變化來看，夜間19—07時逆溫出現頻率較高，白天10—16時逆溫出現頻率較低。

從圖4b可以看出，逆溫層四季平均厚度日變化趨勢一致，冬季的逆溫層平均厚度大于其他三個季節。一般來說，從19時起逆溫層厚度開始增加，到06時達到頂峰值，之后逐漸開始下降，通常在13—17時逆溫層厚度最小，特別是夏季，13—19時幾乎沒有逆溫層存在。在春季00—07時逆溫層厚度大于秋季，秋季08—23時逆溫層厚度大于春季。

圖4c為逆溫層平均強度隨時間的變化情況，從圖中可以看出，逆溫強度日變化較為平緩，冬季的逆溫強度大于其他三個季節，春季逆溫強度最大值0.43 ℃/100 m，出現在05—06時；夏季最大值為0.26 ℃/100 m，出現在12時；秋季逆溫強度最大值為0.68 ℃/100 m，出現在16時；冬季逆溫強度最大值為0.84 ℃/100 m，出現在15時。

圖4 西安涇河站2019年6月—2021年5月微波輻射計觀測逆溫頻率(a)、逆溫厚度(b)、逆溫強度(c)隨時間變化曲線

4 結論與討論

(1)在不同季節，地基微波輻射計反演的溫度廓線與探空觀測溫度值的絕對平均偏差和均方差均隨著高度的增加呈遞增趨勢，地基微波輻射計在高溫時反演精度好于低溫時。2 km以下地基微波輻射計反演溫度廓線與探空觀測溫度值的相關系數為0.990，絕對平均偏差0.73 ℃，均方差1.04 ℃。

(2)07時地基微波輻射計逆溫出現頻率全年平均與探空觀測總體趨勢一致。19時微波輻射計逆溫出現頻率全年平均略高于探空觀測。微波輻射計低層出現逆溫頻率較高，在200 m以下，微波輻射計逆溫出現頻率遠高于探空觀測；隨著高度的增加，逆溫出現頻率迅速下降，微波輻射計對于高空500 m以上的逆溫幾乎無法監測到。

(3)地基微波輻射計觀測的逆溫強度小于探空逆溫強度，整體來說07時差異小，19時差異較大。微波輻射計觀測逆溫強度07時和19時較為接近，探空觀測逆溫強度07時和19時相差較大。

(4)地基微波輻射計逆溫厚度在07時每月都小于探空觀測，19時微波輻射計逆溫厚度3—9月小于探空觀測，1—2月、10—12月大于探空觀測。從全年平均來看，微波輻射計觀測逆溫厚度略小于探空觀測逆溫厚度。

(5)地基微波輻射計對于大氣逆溫的探測能力并不弱于探空觀測，逆溫頻率和逆溫厚度與探空觀測較為接近，但是由于微波輻射計垂直分辨率較探空觀測大，使得其在逆溫強度的探測準確性有待進一步考證。

(6)基于地基微波輻射計的逆溫連續變化分析可知，冬季逆溫頻率、逆溫厚度和逆溫強度日變化均強于其他三個季節。整體來看，19—07時逆溫出現頻率較高，10—16時逆溫出現頻率較低。13—17時逆溫層厚度最小，夏季13—19時幾乎沒有逆溫層存在。逆溫強度全天變化較為平緩。地基微波輻射計對逆溫日變化有較好的監測能力，填補了常規探空觀測的空白。